Gestión del calor en instalaciones de cables de energía subterráneos

La demanda de energía eléctrica en todo el mundo está aumentando y los servicios públicos, los proveedores de servicios y los propietarios de redes están invirtiendo en ampliar y asegurar la red; este aumento de la demanda está impulsado por varios factores, incluida la necesidad de electricidad más confiable, nuevas fuentes de generación de energía como la energía renovable, el crecimiento de vehículos eléctricos, el aumento de la minería de moneda virtual, la proliferación de centros de datos, la migración de poblaciones rurales en muchos países en desarrollo a las zonas urbanas y la necesidad de proteger la infraestructura de los daños ambientales. Cada vez más, estos sistemas se están moviendo a instalaciones subterráneas que usan sistemas de conductos (ductos, tuberías) en lugar de enterramiento directo. Si bien históricamente el soterramiento de cables en ductos se ha percibido como más costoso y menos práctico, existe una tendencia creciente a avanzar hacia sistemas canalizados debido a los beneficios económicos, operativos y de seguridad a largo plazo. Específicamente, la construcción de la infraestructura para sistemas canalizados proporciona un marco preparado para el futuro para mantener, monitorear y actualizar más eficazmente los sistemas de cables.

Este paso a sistemas canalizados también plantea nuevos desafíos para algunos, en particular en la gestión del calor generado por la resistencia eléctrica en los conductores. Algunos ingenieros de servicios públicos, consultores de diseño, fabricantes y contratistas de instalación de cables están buscando comprender mejor cómo los efectos adversos del calor generado en el cable subterráneo se pueden cuantificar y gestionar mejor para detener su impacto en el rendimiento de la red eléctrica y el medioambiente.

El diseño de sistemas subterráneos que gestionen el calor de manera inadecuada puede conducir a una capacidad de cable reducida, una vida útil más corta y un aumento de los costos. Sin embargo, hay innumerables sistemas de cables canalizados en todo el mundo que funcionan de manera confiable a pesar del factor de calor. Para ver cuántos están abordando las propiedades térmicas de los cables canalizados en el diseño y la práctica, Polywater montó un pequeño grupo de expertos para hablar del tema de la generación y disipación de calor en los cables de energía y la gestión del calor para nuevas prácticas de instalación de cables subterráneos.

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Comprender el comportamiento térmico en el diseño de sistemas de cables subterráneos

Los cables de energía pueden generar una gran cantidad de calor a medida que la corriente eléctrica fluye a través de ellos. Este calor, causado por la resistencia eléctrica en el conductor, se conoce como calentamiento Joule y representa la energía perdida. Cuanto mayor sea la corriente o resistencia, más calor se genera, lo que reduciendo la eficiencia y aumenta los costos operativos tanto para las empresas de servicios públicos como para los usuarios finales.

Las instalaciones de cables subterráneos pueden ser susceptibles a desafíos relacionados con el calor debido a la naturaleza aislante del suelo y el entorno confinado. En cables enterrados directamente, la chaqueta entra en contacto con el suelo circundante de manera directa. Por el contrario, los sistemas canalizados introducen una interfaz de transferencia de calor adicional, la pared del ducto, que generalmente tiene un área de superficie exterior más grande. Los sistemas de cables canalizados pueden disipar el calor de manera más eficiente debido a que la superficie exterior del conducto es mayor y tiene más área de contacto con el suelo.

Sin embargo, tanto las instalaciones enterradas directamente como las canalizadas pueden tener limitaciones en qué tan bien disipan el calor, en especial en entornos con mala conductividad térmica. Esta baja difusión de calor hace que las temperaturas del cable aumenten, lo que puede degradar el aislamiento, acortar la vida útil del cable y reducir la capacidad de transporte de corriente.

Como explica Marius Engebrethsen, Gerente de Proyecto en REN, un grupo de estudio de ingeniería noruego: “Por eso nos preocupamos tanto por el calor. A menudo es el factor que limita cuánta corriente puede pasar por el sistema. Demasiado calor puede acelerar el proceso de degradación. Es fundamental gestionar esto durante el diseño del sistema”.

La gestión eficaz del calor comienza con la comprensión de cómo se mueve a través del sistema. Los conductores de cables, el aislamiento, las pantallas, las chaquetas, los ductos, los espacios de aire, el relleno y el suelo tienen diferentes resistividades térmicas. Estos materiales influyen en qué tan bien se disipa el calor del núcleo del cable hacia afuera. Para evaluar con precisión este comportamiento, se requiere un análisis térmico, con frecuencia utilizando normas de la industria, software especializado o ambos.

“El software se utiliza principalmente para diseñar instalaciones de cables subterráneos”, afirma Engebrethsen. “Puede dibujar el diseño de la zanja, ejecutar cálculos avanzados y analizar cómo se acumula y esparce el calor, incluso cómo se comportan los campos magnéticos. Esto permite a los ingenieros dimensionar el cable y optimizar la capacidad de carga”.

Marcel den Haan de Soluciones de diseño de redes y desarrollo empresarial de Grøft Design® explican además, “Es necesario comprender la carga máxima en el cable para que se puedan ajustar variables como el diámetro del cable, la carga o el aire circundante. Se controla lo que sucede alrededor y encima del cable para ver hasta dónde se puede llegar”.

Uno de los factores más influyentes en la disipación de calor es la composición del suelo. La capacidad del suelo para retener humedad —crítica para la conductividad térmica— depende de su granularidad y estructura de poros. Los suelos de grano fino como la arcilla retienen bien el agua debido a la acción capilar, mientras que los suelos gruesos como la arena drenan más rápido, pero pueden ayudar a la migración vertical de la humedad.

Es importante destacar que, a medida que el cable se calienta, seca el suelo circundante, formando una “zona seca” con menor conductividad térmica. El suelo o relleno con alta retención de humedad ayuda a mitigar la formación de estas zonas calientes.

“El suelo podría no parecer interesante para los ingenieros eléctricos”, comenta Engebrethsen, “pero es fundamental para desarrollar una buena instalación de cables. Se prefieren suelos con baja resistividad térmica que puedan retener la humedad incluso cuando el cable se esté calentando”.

La profundidad del enterramiento del cable también influye. Las instalaciones más profundas aumentan la distancia que debe viajar el calor para disiparse, lo que reduce la ampacidad. Para tener en cuenta estas variables, a menudo se realizan pruebas exhaustivas del suelo.

Jacco Smit de TenneT describe el proceso: “Hacemos una investigación del suelo a lo largo de toda la ruta. Si perforamos hasta 40 metros, analizamos todas las capas presentes con sus capacidades térmicas y recalculamos un nuevo valor de resistividad térmica en su conjunto”.

Estas investigaciones ayudan a cuantificar los efectos de las condiciones del suelo en la ampacidad del cable, la formación de zonas secas y permiten saber si es necesario ajustar el perfil térmico de una instalación.

Estrategias para gestionar el calor en instalaciones subterráneas de cables

Dado el impacto significativo que la generación y disipación de calor tienen tanto en la eficiencia como en el costo de los sistemas de energía subterráneos, es esencial una gestión eficaz del calor. El calor no controlado puede acelerar el envejecimiento de los componentes del cable, reducir la ampacidad y aumentar el riesgo de falla. Por otro lado, la gestión del comportamiento térmico permite a las empresas de servicios públicos maximizar la capacidad de carga y la confiabilidad de sus redes.

Los ingenieros tienen varias herramientas a su disposición para controlar el calor en instalaciones subterráneas. Estas incluyen una selección cuidadosa de materiales, tamaño del conductor, aumento de la separación del cable, optimización de la profundidad del enterramiento y tecnologías de mitigación térmica. Como explica Jacco Smit, asesor sénior en gestión de activos de TenneT: “Siempre buscamos satisfacer la demanda que se requiere para la conexión. Habrá puntos calientes, por supuesto, pero luego elegiremos una sección transversal del conductor más grande o ajustaremos las propiedades térmicas del suelo, ducto o banco de ductos circundante”.

Smit enfatiza que el diseño térmico comienza con la comprensión de la carga requerida del sistema. “Creo tenemos la obligación de ir de A a B para transportar alguna cantidad de MVA o amperios a través de la conexión, y buscaremos el mejor ajuste para el tamaño del cable, etc.”, añade.

Más allá de los parámetros básicos de diseño, la gestión avanzada del calor puede implicar el uso estratégico del agua subterránea para facilitar la disipación del calor, la unión cruzada para reducir las pérdidas de la cubierta y el análisis localizado de los efectos de la corriente de la cubierta. En instalaciones de larga distancia, se utilizan configuraciones de cables tales como diseños trébol (triangular) para reducir la interferencia magnética y mantener el equilibrio térmico.

Smit también apunta a la perforación direccional horizontal (HDD) como un área donde la gestión del calor se vuelve fundamental. “Lo que encontramos a través de la verificación del cálculo con monitoreo térmico”, señala, “es que durante la HDD, se producen picos de temperatura en los puntos de entrada y salida del orificio. El perfil de temperatura se eleva, cae a través del medio de la perforación y luego se vuelve a elevar en el otro lado”.

Para mitigar estos puntos calientes localizados, se pueden implementar medidas de ingeniería civil. “Tenemos medidas para esparcir los ductos en los puntos de entrada y salida”, explica Smit. “Esto ayuda a distribuir la temperatura de manera más uniforme y a crear un mejor equilibrio térmico”.
Estos ejemplos resaltan que las preocupaciones sobre el calor en los sistemas subterráneos, aunque son complejas, son manejables. Con una comprensión clara de la dinámica térmica y las estrategias adecuadas de diseño y monitoreo, las empresas de servicios públicos pueden moverse con confianza hacia el soterramiento sin dejar de lado el rendimiento.

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El papel de las normas en la gestión de la dinámica del calor

A medida que las instalaciones de cables subterráneos se vuelven más frecuentes, comprender y gestionar la dinámica del calor es fundamental para mantener el rendimiento y la longevidad del sistema. Si bien las herramientas de selección, diseño y análisis de materiales ayudan a los ingenieros a abordar el calor a nivel del proyecto, las normas y pautas internacionales proporcionan un marco compartido para modelar y gestionar el comportamiento térmico en los sistemas de cables de energía.

Estas normas varían por región y reflejan factores ambientales como la temperatura ambiente, las condiciones del suelo, las lluvias y los perfiles de carga. Como explica Marius Engebrethsen de REN, la norma IEC 60287 es una de las más se utilizan en Europa y a nivel mundial. “Se basa en métodos analíticos”, explica, “y se usa comúnmente para generar cálculos relevantes para la generación y disipación de calor”.

En los Estados Unidos, la norma IEEE 835 cumple la misma función. Combina enfoques tanto analíticos como empíricos, lo que la hace útil para modelar no solo las cargas en estado estacionario, sino también las condiciones cíclicas y de emergencia. Además, Engebrethsen destaca el folleto técnico TB880 de CIGRE, que incorpora análisis de elementos finitos (FEA) y proporciona casos de uso que permiten que el software de simulación se pueda comparar con escenarios prácticos.

Si bien estas normas forman una base sólida, tienen algunas limitaciones. Por ejemplo, la norma IEC 60287 supone perfiles de carga constantes y usa tablas de datos estáticas, que pueden estar obsoletas o desalineadas con las condiciones reales del campo. Esto puede conducir a resultados inexactos en entornos dinámicos modernos.

Marcel den Haan de Grøft Design® enfatiza este desafío: “Hay muchas variaciones en las que hay que ser más preciso que lo que establece la norma. Incluso cuando se trabaja dentro de la norma, hay que calcular las partes más difíciles. Si no, corre el riesgo de secar el suelo o de exceder la temperatura máxima del cable”.

Algunas normas también suponen profundidades de enterramiento uniformes y propiedades homogéneas del suelo, supuestos que rara vez se cumplen en proyectos reales. Estas simplificaciones pueden llevar a subestimar o sobreestimar los riesgos relacionados con el calor.

Más allá de las normas IEC 60287 y IEEE 835, otras normas relevantes incluyen la IEC 60853-1 para clasificaciones de corriente cíclicas y de emergencia, la IEEE 835 para cálculos de ampacidad en ductos y canales, y el Artículo 310.15(B) de NEC, que proporciona tablas de ampacidad y factores de ajuste.

A medida que el software de simulación siga avanzando, ofreciendo una mayor precisión y la capacidad de tener en cuenta las condiciones locales, algunas restricciones de estas normas se reducirán. Esta evolución permitirá a los planificadores e ingenieros modelar con mayor precisión los sistemas de cables subterráneos y ajustar los diseños para una disipación óptima del calor, lo que prolongará la vida útil de los cables y mejorará el rendimiento general de la red.

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Gestión térmica evolutiva en el diseño de sistemas de cables subterráneos

La instalación de cables subterráneos en conductos tiene una historia de más de un siglo en muchas partes del mundo. A lo largo de este tiempo, las empresas eléctricas, los consultores de ingeniería, los contratistas civiles y los fabricantes han acumulado valiosos conocimientos y experiencia práctica. Estas lecciones, basadas tanto en éxitos como en desafíos, han dado forma al enfoque actual al diseño de sistemas de cables subterráneos. Sin embargo, persisten los conceptos erróneos sobre cómo gestionar el calor en los sistemas de cables con conductos, a menudo basados en información y prácticas obsoletas.

En las primeras instalaciones de cables subterráneos, se utilizaban habitualmente tuberías que contenían amianto. Este material era muy resistente al fuego y no conductor, pero también era conocido por sus altas propiedades aislantes del calor. Para compensar el calor producido al instalar un cable en un conducto, se redujo su capacidad máxima de corriente utilizando un factor de reducción universal. Sin embargo, con la introducción de chaquetas de cables de plástico y materiales de ductos, este factor ya no refleja con precisión las condiciones térmicas actuales.

“La influencia de las tuberías en la corriente admisible a largo plazo de las líneas de cable es diversa y no se puede describir introduciendo un factor de corrección universal”, afirma Mikhail Dimitriev, consultor de sistemas de energía eléctrica en Voltplace. “En muchos casos, el tendido de cables en tuberías no reduce la corriente admisible, por el contrario, la aumenta”, afirma Dimitriev.

La falta de conocimiento sobre las características térmicas de los nuevos materiales utilizados en conductos y chaquetas ha desalentado, en ocasiones, un uso más amplio de las instalaciones con conductos. Muchas empresas de servicios públicos han optado por los métodos de zanja abierta, suponiendo que ofrecen una mejor disipación del calor y menores costos de construcción. No obstante, esta percepción se está cuestionando cada vez más.

Un método utilizado para gestionar el calor consiste en inundar los sistemas de cables canalizados con una suspensión de arcilla de bentonita. Inicialmente se aplicó bentonita para lubricar el cable durante la instalación, pero también se encontró que ayudaba a la disipación de calor. Sin embargo, este método de inundación con bentonita ha caído en desuso por varias razones.
En primer lugar, la introducción de lubricantes a base de agua diseñados en la última mitad del siglo XX demostró ser mucho más eficaz para reducir la fricción durante la instalación de cables. Estos lubricantes permiten instalar longitudes de cable más largas de manera segura a mayores distancias.

En segundo lugar, se descubrió que, con el tiempo, la arcilla de bentonita provocaba que el cable se adhiriera al conducto, lo que dificultaba enormemente su retirada o reemplazo. En muchos casos, se requería la rectificación del ducto antes de que se pudieran instalar nuevos cables.

A pesar de esto, la arcilla de bentonita aún se utiliza en algunos procesos de instalación de cables canalizados, lo más notablemente durante la perforación direccional horizontal (HDD). En este contexto, se aplica en el exterior de la tubería para facilitar la instalación del ducto. La consistencia viscosa de la solución también ayuda a mantener la integridad del pozo, ya que refuerza sus paredes y evita que se derrumben durante la perforación y la instalación.

A pesar de la creciente evidencia y la experiencia práctica, en muchas regiones persisten conceptos erróneos sobre la disipación del calor en los sistemas de cables con conductos. Estos malentendidos pueden eclipsar las numerosas ventajas de las instalaciones basadas en conductos, entre las que se incluyen una mayor protección frente a daños mecánicos e incendios, una mayor fiabilidad y eficiencia del sistema, un mantenimiento simplificado y una localización más rápida de averías, así como la preparación de la infraestructura para futuras actualizaciones.

Lo más importante es que los sistemas canalizados ofrecen la flexibilidad a largo plazo necesaria para satisfacer las crecientes demandas energéticas con rapidez. Muchos ingenieros diseñan ahora sistemas de conductos para que puedan utilizarse durante varios ciclos de vida útil de los cables.

“Especificamos una determinada calidad de conducto cuando necesitamos que el conducto se utilice dos veces”, afirma Jacco Smit, de TenneT. “Por lo tanto, lo instalamos una vez y, durante los 50 años de vida útil del sistema de cableado, se retirará el cable y posteriormente se instalará uno nuevo”.

Smit añade: “También tenemos en cuenta que los conductores serán más grandes en el futuro debido al desarrollo de nuevos cables, por lo que el conducto es robusto y lo suficientemente grande como para tener una vida útil de 100 años”.
Los avances en las últimas décadas en los materiales de cables y ductos, junto con mejores prácticas de planificación e instalación, han mejorado en gran medida el rendimiento térmico y la capacidad de transporte de corriente de los sistemas subterráneos.

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Conclusión

A medida que las instalaciones de cables canalizados subterráneos aumentan para satisfacer las crecientes demandas de energía, es esencial una comprensión sólida de la termodinámica. Todos los cables de energía generan calor, y cuando ese calor no se disipa adecuadamente, puede comprometer tanto la eficiencia como la vida útil de los sistemas de media y alta tensión. Para mantener un servicio fiable y maximizar la capacidad de transporte de corriente, el calor debe predecirse y gestionarse con cuidado.

La optimización del rendimiento térmico depende de varios factores, desde el diseño del sistema y la selección del material hasta el modelado preciso y la adhesión a los estándares. La conciencia de cómo estos elementos interactúan, junto con la capacidad de aplicar e interpretar cálculos térmicos, es fundamental para una planificación exitosa del proyecto.

Al mejorar la comprensión de los factores térmicos en las redes de cables subterráneos y aplicar estrategias de gestión del calor, las empresas de servicios públicos abren la puerta a las numerosas ventajas económicas, operativas y medioambientales a largo plazo que ofrecen las redes eléctricas subterráneas.

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Jacco Smit
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